Monitoring Systemy czasu rzeczywistego w natarciu.

Przetwarzanie informacji w czasie rzeczywistym lub zbliżonym do rzeczywistego jest coraz bardziej rozpowszechnione i wykorzystywane w różnorodnych urządzeniach. W artykule opisano najpopularniejsze systemy czasu rzeczywistego, przy czym nie ograniczono się jedynie do tych, które stosowane są w układach automatyki monitoringu.

Pomimo popularności systemów monitoringu i czasu rzeczywistego (Real Time Operating Systems - RTOS), wiedza o nich wcale nie jest powszechna. Wynika to z faktu, że są one wykorzystywane w różnych aplikacjach jako jedna z najbardziej podstawowych, zwykle niedostępnych dla użytkownika warstw oprogramowania. Systemy monitoringu RTOS znajdują zastosowanie w urządzeniach trafiających praktycznie do całego przemysłu, przy czym najczęściej stosuje się je w sterowaniu maszyn oraz kontroli procesów.

ODROBINA HISTORII RTOS monitoring - wykorzystywane są w przemyśle od prawie 40 lat. Dawniej maszyny wolno stojące wyposażane były w dedykowane oprogramowanie tego typu. Miały one zazwyczaj mały pulpit monitoring - operatorski, złącze RS-232, które umożliwiało wgranie oprogramowania oraz układy wejścia-wyjścia pozwalające na komunikację z innymi elementami systemu. Dalszy rozwój maszyn produkcyjnych wymusił jednak zmiany na tyle duże, że produkowane zgodnie z tą koncepcją systemy stały się przestarzałe i niekompatybilne z nowszymi rozwiązaniami monitoringu.
Za datę otwierającą erę właściwego rozwoju monitoring- RTOS można przyjąć rok 1992, kiedy powstało konsorcjum o nazwie PC/104. Początkowo jego działania skupiały się na tworzeniu aplikacji do zastosowań militarnych i medycznych. Opracowano m.in. standard układu mikroprocesorowego, który umieszczony na płycie głównej systemu monitoring, mógł stanowić podstawę budowy urządzenia o powierzchni mniejszej niż ldm2. W miarę upływu czasu konsorcjum zwróciło uwagę również monitoring na techniki multimedialne. W 1993 roku opracowano standard POSIX 1003. Ib, który dotyczył monitoring systemów czasu rzeczywistego.

Aktualnym trendem jest m.in. wykorzystanie systemów monitoring - RTOS w sterownikach PLC, które komunikują się głównie poprzez sieci Ethernet, w tym na poziomie przedsiębiorstwa. Ponieważ monitoring systemy te wspierają również takie techniki jak .Net, XML czy OPC, ułatwione jest ich programowanie, jak też możliwe stało się stworzenie połączonych systemów maszyn współpracujących ze sobą.

KLASYFIKACJA Monitoring RTOS W bardzo ogólnej klasyfikacji systemów operacyjnych wyróżnia się ich dwie klasy - sterowane zdarzeniami albo czasem. W przypadku pierwszych istnieje ryzyko przeciążenia systemu, które spowodowane może być dużą liczbą napływających danych zewnętrznych i koniecznością ich przetwarzania. Systemy operacyjne sterowane czasem działają w rytm zegara czasu rzeczywistego i nie są podatne na tego typu przeciążenia, co powoduje, że stosowane są one m.in. w tych gałęziach przemysłu, gdzie wymagane jest zachowanie wysokiej niezawodności przy dużych ilościach przetwarzanych informacji. Grupę tego typu oprogramowania dzieli się również na dwie klasy. Pierwszą stanowią RTOS określane jako soft real-time sys-tems, w przypadku których zadania krytyczne czasowo otrzymują pierwszeństwo przed pozostałymi.

Innymi słowy, monitoringi wykonywane są one tak szybko, jak to jest możliwe. Nie oznacza to jednak, że czas ukończenia zadania jest ustalony, gdyż zależy od liczby równolegle przetwarzanych danych. Zaletą tego typu RTOS jest możliwość łatwego łączenia ich z systemami komputerowymi. Ponieważ nie gwarantują one, że zadania zostaną wykonane w określonym terminie, ich zastosowanie w przemyśle jest ryzykowne, ale znajdują one szereg innych zastosowań - np. w urządzeniach multimedialnych. Drugą grupą RTOS są systemy hard real-time systems monitoring (określane jako rygorystyczne), w których zadania muszą być ukończone w określonym czasie. Osiąga się to poprzez zaimplementowanie w nich odpowiednich mechanizmów systemowych. Rygorystyczne RTOS wykorzystują zwykle małą ilość bardzo szybkiej pamięci operacyjnej, w której przechowywanych jest niewiele zadań naraz. Spotkać można również trzecią, nieformalną klasę monitoring RTOS, określaną jako firm real-time systems. Systemy sprzętowo-programowe do niej zaliczane zapewniają zarówno cechy systemu hard, jak i soft real-time.

Systemy operacyjne monitoring - czasu rzeczywistego sklasyfikować można również pod względem sposobu tworzenia aplikacji dedykowanych. Sterowniki z RTOS mogą pozwalać na uruchamianie i wykonywanie dedykowanych aplikacji bez możliwości interakcji z systemem operacyjnym albo też mogą być określane jako embedded RTOS (o tym w dalszej części artykułu). Innym istotnym wyróżnikiem systemu czasu rzeczy- wistego jest jego przeznaczenie - do pracy jednoprocesorowej (jednoukła-dowej) lub rozproszonej. W szczególności ostatnie z wymienionych systemów stają się coraz popularniejsze. Głównymi tego powodami jest możliwość współdzielenia przez tego typu RTOS często bardzo kosztownych zasobów systemowych monitoring. Ponadto zapewniają one efektywne i wydajne wykorzystanie mocy obliczeniowej platform złożonych z wielu jednostek obliczeniowych - w tym połączonych ze sobą przez sieć, a także charakteryzują się dużą niezawodnością pracy. Obliczenia wykonywane są współbieżnie z zachodzącymi procesami zewnętrznymi, dzięki czemu możliwa jest kontrola, monitoring sterowany lub reakcja na zdarzenia zewnętrzne.

DETERMINISTYCZNY PRZEDE WSZYSTKIM Tym, co odróżnia systemy przetwarzania informacji w czasie rzeczywistym od programowania ogólnego zastosowania, jest przede wszystkim wymóg dotyczący niezawodnej pracy oraz deterministycznych reakcji na występujące zdarzenia. Działanie RTOS opiera się o wielopoziomowy mechanizm przerwań priorytetowych, który odpowiada za reakcję na sygnały pochodzące z procesów według wartości ich priorytetów. Drugim podstawowym elementem jest tutaj zegar czasu rzeczywistego, bez którego nie byłoby możliwości realizacji i kontroli zadań warunkowanych czasowo. Ponieważ RTOS coraz częściej stosowane są do kontroli skomplikowanych procesów fizycznych, gdzie zachodzi konieczności kontroli zmiany w czasie wielu czynników, opóźnienie w wykonaniu żądanego zadania może wywołać katastrofalne w skutkach konsekwencje. Przykładem takich zastosowań jest sterowanie elektrownią lub systemem kontroli lotów.
Zarówno Windows, jak i Linux nie pracują w czasie rzeczywistym. Ze względu na ten fakt nie nadają się one do kontroli procesów krytycznych. Gdyby urządzenie pracujące pod kontrolą zwykłych Windowsów otrzymało sygnał awaryjnego wstrzymania pracy urządzenia, mógłby przyjąć te dane i zapisać je do pliku wymiany, realizując w tym czasie inne zadania. Spowodowałoby to brak reakcji na awarię lub zbyt wolne zadziałanie i mogłoby prowadzić do powstania zagrożenia.

Należy pamiętać, że definicja terminu real time w dużym stopniu zależy od rozpatrywanej aplikacji. Wzmiankowana „szybkość" reakcji systemu jest pojęciem względnym i ma różne znaczenie. Rozważmy np. układ odpowiedzialny za kontrolę przepływu i pomiaru poziomu cieczy w dużych zbiornikach (np. w rafinerii). Wydawać by się mogło, że przy stosunkowo niskim spodziewanym czasie reakcji zastosowanie do kontroli systemu RTOS jest bezpodstawne. Jednakże w tym wypadku określenie real time nie oznacza „szybki", lecz „przewidywalny", co zapewnia wykluczenie zjawisk niede-terministycznych, które są tutaj niedopuszczalne.

Istotną kwestią, która jest również problemem w przypadku systemów takich jak Windows, to liberalny sposób podziału zasobów. Priorytety różnych zadań są w tym systemie dynamicznie zmieniane w sposób nieznany użytkownikowi. Nie można przewidzieć, który z procesów zostanie wykonany w jakim czasie ani w jakiej kolejności będą one przetwarzane. W systemach czasu rzeczywistego priorytety są przypisane do określonych zadań i w oparciu o nie przydzielane są zasoby. Zarządzanie nimi jest o wiele bardziej restrykcyjne, co powoduje skuteczne eliminowane opóźnień. Oczywiście i tutaj zdarzają się niebezpieczne sytuacje - np. możliwość powstania zwłoki wskutek braku odpowiedniego rejestru pamięci dla danego procesu, w chwili gdy uruchomione programy będą potrzebowały więcej zasobów niż jest dostępnych w systemie.

PRZYKŁADOWE RTOS Jednym z najbardziej popularnych komercyjnych systemów RTOS jest QNX firmy QNX Software Systems. Jest on obecnie dostępny dla wielu platform sprzętowych, w tym x86, PowerPC, ARM, StrongARM, XScale, MIPS oraz SH-4. Sukces oprogramowania QNX wynika z jego niezawodności oraz kompatybilności z architekturą PC, z myślą o której był on od początku tworzony. System rozwijany jest zgodnie ze standardem POSIX 1003. Ib, razem z nim dostarczany jest okienkowy interfejs graficzny Photon microGUI. QNX składa się z mi-krojądra, w którym zaimplementowane jest szeregowanie procesów, komunikacja międzyprocesowa, obsługa prze -rwań i niskopoziomowa komunikacja sieciowa. Reszta elementów instalowana jest w postaci opcjonalnych modułów. Powoduje to, że mikro jądro jest małe i szybkie, dzięki czemu system ten może być stosowany w środowisku wielokomputerowym i w zastosowaniach wbudowanych. Warto zaznaczyć, że oprogramowanie bazuje na nietypowym rozwiązaniu, jakim jest brak podziału na operacje systemu i operacje użytkownika.

Przemysłowe komputery mobilne w solidnej walizkowej obudowie ze zintegrowanym 1 5" ekranem LCD oraz pełno wymiarową klawiaturą. Taka konstrukcja pozwala na zamontowanie w obudowie standardowej płyty głównej (ATX) lub magistrali pasywnej i wzbogacenie komputera o standardowe karty rozszerzeń (ISA/PCI). Daje to nieograniczone możliwości budowania zaawansowanych przenośnych stacji pomiarowych i diagnostycznych. W zestawie poręczna walizka.